超快光纤激光技术之三十二 高功率光纤激光中的相干合成技术（一）

光纤激光器的功率和能量提升主要受四个因素的制约，分别是非线性效应，热效应，光损伤，泵浦极限，因此单根光纤输出的平均功率和脉冲能量存在极限。相干合成技术是突破这一极限的有效手段，图1展示了该领域的主要研究内容[1]。

非相干合成不保证合成光束的相干性，只实现激光在空间上的叠加，装置较简单，应用场景主要为激光武器。非相干合成主要分为并列合成、被动器件合成和光谱合成三种类型。在并列合成中，将激光输出端并排，输出光束在远处较小的面积内达到较大的平均功率。被动器件合成通过偏振分束器，合束器等器件将多路激光合成为一路。光谱合成指将多路窄带宽的连续光合成为一路，多采用体布拉格光栅、双色镜、滤波器、衍射棱镜或三棱镜完成。

在相干合成中，需要确保每路激光之间具有相同的相位、光程、功率、偏振、光束直径和空间指向。图2为相干合成系统的示意图，主要可分为分束/合束器、种子/放大器、相位锁定以及延时锁定四部分。

相干合成可通过光束质量、斯特列尔比、合成效率和亮度四项参数衡量。光束质量指合成光与高斯光束的相似程度，用光束质量因子M2表示，M2越接近1，光束质量越高。斯特列尔比指合成光的峰值功率与相位完全匹配的理想峰值功率的比值，它与相位锁定情况和孔径填充系数有关，孔径填充系数指光束孔径面积与待合成阵列总面积的比值。相位失配越小，孔径填充系数越高，斯特列尔比也越高，相干合成越接近理想状态。合成效率为合成光功率与合成前各路总功率的比值，比值越接近1越理想。亮度与输出功率、波长和光束质量有关，如式1所示，其中C为与光束形状有关的系数，高斯光束对应的C为1，合成光束的亮度为合成效率、合成路数和单路亮度的乘积。

从分束/合束器的类型上，可以将相干合成分为平铺孔径(tilled aperture)和填充孔径(filled aperture)两种，平铺孔径合成的孔径填充系数小于1，可以通过准直器阵列、微透镜阵列、光纤束和多芯光纤四类器件实现，图3展示了使用准直器阵列进行合成时，在不同传播距离上光强分布的模拟结果。准直器排列越紧凑，孔径填充系数越接近1，合成效果越好，理论极限效率为76%[2]。平铺孔径合成的装置较简单，但合成效率较低。

填充孔径合成的填充系数为1，合成效率较高，可分为偏振合成、强度合成、衍射合成和反射合成四种，如图4所示。偏振合成指使用偏振分束器或薄膜偏振片，将两路正交偏振的光束合成为一路，可以通过级联的结构增加合成路数。强度合成指使用光强分束器将两路功率相同的光合成为一路的方法，通过相位锁定实现闲频光端口的干涉相消，也可通过级联结构实现多路合成。与偏振合成相比，强度合成适用于平均功率更高的场合。衍射合成使用了衍射光学器件，如光栅和棱镜等，将以不同衍射级对应角度入射的光合成为一束，可以使用两级串联结构将合成维数从一维扩展到二维，实现N×N路合成，衍射合成的功率受限于热效应。反射合成通过分瓣镜实现，分瓣镜的不同区域具有不同的反射率和透射率，通过各入射光与反射光在反射光方向的干涉相消实现相干合成，各部分反射率具有特定的值，同样可以通过二级结构实现二维合成。

此外，还有基于微透镜阵列的混合孔径合成，光束经两块微透镜阵列和一块透镜实现分束和合成，可以通过控制每路光束的相位实现对合成光束位置的调整[3]。

在热效应和环境扰动的影响下，每路信号均存在一定的相位噪声，影响合成后的光束质量和合成效率。图5展示了采用准直器阵列进行合成时，开启相位锁定和关闭相位锁定时的合成光斑，可见当关闭相位锁定时，合成效果很差。

相位锁定分主动锁相和被动锁相两种，被动锁相主要有共谐振腔[4]、相位共轭[5]、自组织[6]和衰逝波耦合四种。在共谐振腔锁相中，多根增益光纤的输出端互相反馈，等效于共用同一个谐振腔，从而实现相位锁定。在相位共轭锁相中，基于相位共轭镜，通过受激布里渊散射等非线性效应实现相位在时间上的反转，从而补偿主放大中的相位噪声。自组织锁模中使用光纤布拉格光栅和分束器组成迈克尔逊干涉仪，实现各路放大之间的耦合，从而锁定相位，衰逝波耦合则是将多路放大耦合为超模式，从而实现各路之间的相干，常用于多芯光纤之中。

下期将介绍主动锁相相关内容。

参考文献：

[1] Hossein Fathi , Mikko Närhi and Regina Gumenyuk, “Towards Ultimate High-Power Scaling: Coherent Beam Combining of Fiber Lasers,” Photonics 8(12), 566 (2021).

[2] S. L. Lachinova1 and M. A. Vorontsov, “Laser beam projection with adaptive array of fiber collimators. II. Analysis of atmospheric compensation efficiency,” J. Opt. Soc. Am. A 25(8), 1960-1973 (2008).

[3] M. Prossotowicz, D. Flamm, A. Heimes, F. Jansen, H.-J. Otto, A. Budnicki, A. Killi, and U. Morgner, “Dynamic focus shaping with mixed-aperture coherent beam combining,” Opt. Lett. 46(7), 1660-1663 (2021).

[4] W.-Z. Chang, T.-W. Wu, H. G. Winful and A. Galvanauskas, “Array size scalability of passively coherently phased fiber laser arrays,” Opt. Express 18(9), 9634-9642 (2010).

[5] S. Park, S. Cha, J. Oh, H. Lee, H. Ahn, K. S. Churn, and H. J. Kong, “Coherent beam combination using self-phase locked stimulated Brillouin scattering phase conjugate mirrors with a rotating wedge for high power laser generation,” Opt. Express 24(8), 8641-8646 (2016).

[6] H. Bruesselbach, D. C. Jones, M. S. Mangir, M. Minden, and J. L. Rogers, “Self-organized coherence in fiber laser arrays,” Opt. Lett. 30(11), 1339-1341 (2005).